专访何川教授：第六种碱基的奥秘

　　

生物通报道：奇妙的生物世界总是带给我们许多惊喜，对于“碱基”这一每位分子生物学的学子最熟悉的名词，经过多年的研究发展，出现了更多的新意义，成为了最熟悉的陌生人，第五种，六种，甚至第七，八种碱基相继被发现。但是要揭开这些新型碱基神秘的面纱并不容易——我们缺乏能在全基因组范围内对这些碱基单个水平高分辨率的分析手段。

   近期来自芝加哥大学等处的研究人员在Cell杂志上报道了一种称为“TAB-Seq”的新方法，这种方法能直接检测第六种碱基：5-hmC，找到每个修饰位点上相对丰富的5hmC，利用这一方法，研究人员还完成了第一张单碱基高分辨率的5-hmC全基因组图谱，这无疑是一个重大突破，由此我们就能更深入的了解哺乳动物基因组所有5-hmC的精确定位，找到这种DNA修饰与细胞分化，脑功能，以及癌症等疾病的关联。

   领导这一研究的是芝加哥大学华裔科学家何川教授，他曾荣获美国癌症研究青年科学家奖，以及凯克基金会医学研究杰出青年学者奖等多个奖项，近年来在甲基化修饰，尤其是5hmC修饰等方面获得了许多重要的发现，比如其研究组曾在2011年完成了首张哺乳动物5hmC修饰图谱（Nature Biotechnol., 2011, 29, 68-72）。为了进一步了解这一最新研究，以及相关的技术，生物通特联系了何川教授并请教了他。

5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）

   数十年前就知道，哺乳动物DNA胞嘧啶碱基有两种修饰：5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基胞嘧啶。在这些年里，5-mC得到广泛的研究，作为一种稳定且重要的表遗传修饰，参与基因表达调控、X-染色体失活、基因组印记、转座子的长期沉默和癌症的发生，被称为基因组第五碱基；而5羟甲基胞嘧啶的存在，由于技术的限制，一直未能得到确认。

   这种碱基是5-mC的羟基化形式，1952年在噬菌体DNA中首次发现。2009年，研究发现，Tet蛋白可以氧化5-mC，使之变成5hmC，后来又有研究人员发现一种通过Tet蛋白的三步氧化步骤，能令5mC氧化，然后碱基切除逆转5mC，变回原来的胞嘧啶，其中5hmC是中间产物。

  2009年之前，羟甲基胞嘧啶的研究一直围绕着它对于噬菌体DNA的保护作用。直到最近，人们发现它与多个关键的细胞功能有关，包括胚胎干细胞发育、正常的骨髓细胞生成和受精卵发育。

TAB-Seq技术

   但是对于这种关键的表观遗传修饰，我们却无法定位它，了解它在每个修饰位点上的相对丰度，传统的亲和纯化等技术做不到，发现基因组中5mC的标准方法——亚硫酸氢盐测序，也无法区分5-mC和5-hmC。我们迫切需要一种能逐个逐个碱基读取DNA，详细检测这些修饰在特异组织或细胞类型中位置的方法。

   TAB-Seq就是这样一种新技术，何教授介绍道，“这是一种单碱基高分辨率测序方法，这种方法也能找到每个修饰位点上的5hmC，以及其底物，其中定量数据是了解5hmC生物学的关键所在。”

   这种利用Tet辅助的重亚硫酸盐测序技术，与传统的重亚硫酸盐测序技术结合，能在基因组范围内以单个碱基的高分辨率完成5hmC和5mC定位，描述出其分布的图谱。

   在最新这篇文章中，何教授等人就利用这一技术，对来自人类和小鼠胚胎干细胞的DNA中的5-mC和5-hmC进行了定位，获得了关于它们分布模式的新信息，并完成了第一张单碱基高分辨率的5-hmC全基因组图谱。

5hmC的奥秘

   这项研究不仅揭示了5-mC和5-hmC的分布模式，而且还指出了这些DNA修饰在诸如细胞分化、癌症和脑功能等基本生命过程中发挥的重要作用。

何川教授说，“其中主要的发现包括：

1.丰度高的5hmC定位在远程基因调控元件上，这说明了这些调控元件在主动去甲基化过程中的作用。我认为关键是要将5hmC与增强子，以及其它功能元件联系在一起，因此高丰度5hmC（10%丰度）中大约有一半与调控基因表达的功能元件存在关联。

2.5hmC是不对称，并具有链偏向性。”

“这指出主动去甲基化过程复杂得多，而且我认为实际上基础生物进程中存在的主动去甲基化，比我们预期的更多。许多这些通过5hmC的去甲基化将会影响癌症，以及神经退行性疾病。”

期待揭开更多奥秘

   近年来关于5hmC的研究成果越来越多，可谓是一个热门研究领域，何川教授说，“下一步需要了解的是5hmC在去甲基化中的作用，以及其与转录因子之间的相互作用。另外一个十分重要的方面，就是绘制人类和其它哺乳动物大脑组织和神经元中5hmC的分布图，5hmC在大脑中大量积累，我们需要了解它在大脑中的功能。

   除此之外，我们也希望能通过测序分析5-formylcytosine (5fC) 和5-carboxylcytosine(5caC)位点，目前我们正在进行这方面的研究。”

  了解何川教授研究组更多信息，请参阅：
http://he-group.uchicago.edu/
http://www.chem.pku.edu.cn/index.php?id=365

（生物通：王蕾）

原文摘要：
Base-Resolution Analysis of 5-Hydroxymethylcytosine in the Mammalian Genome

The study of 5-hydroxylmethylcytosines (5hmC) has been hampered by the lack of a method to map it at single-base resolution on a genome-wide scale. Affinity purification-based methods cannot precisely locate 5hmC nor accurately determine its relative abundance at each modified site. We here present a genome-wide approach, Tet-assisted bisulfite sequencing (TAB-Seq), that when combined with traditional bisulfite sequencing can be used for mapping 5hmC at base resolution and quantifying the relative abundance of 5hmC as well as 5mC. Application of this method to embryonic stem cells not only confirms widespread distribution of 5hmC in the mammalian genome but also reveals sequence bias and strand asymmetry at 5hmC sites. We observe high levels of 5hmC and reciprocally low levels of 5mC near but not on transcription factor-binding sites. Additionally, the relative abundance of 5hmC varies significantly among distinct functional sequence elements, suggesting different mechanisms for 5hmC deposition and maintenance.

作者简介：

 
  何川教授早年毕业于中国科技大学，2000年获麻省理工学院博士学位，2000到2002年在哈佛大学做博士后研究，2002年至今执教芝加哥大学化学系, 是芝加哥大学生物物理动态研究所主任, 北京大学合成与功能生物分子中心主任。

  主要从事化学生物学、核酸化学和生物学、遗传学、细胞生物学、生物无机化学、 结构生物学、微生物学以及基因组学等方面研究。